Capteur utilisant un guide d’onde electro-optique pour

la mesure du champ magnetique RF sub-pT par voie

optique : application a l’IRM endoluminale

Isabelle Saniour, Reina Ayde, Anne-Laure Perrier, Gwenael Gaborit, Lionel

Duvillaret, Jean Dahdah, Raphael Sablong, Olivier Beuf

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Isabelle Saniour, Reina Ayde, Anne-Laure Perrier, Gwenael Gaborit, Lionel Duvillaret, et al..Capteur utilisant un guide d’onde electro-optique pour la mesure du champ magnetique RFsub-pT par voie optique : application a l’IRM endoluminale. XIXemes Journees NationalesMicroondes, Jun 2015, Bordeaux, France. <hal-01272167>

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XIXèmes

Journées Nationales Microondes

3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux

XIXèmes

Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux

Capteur utilisant un guide d’onde électro-optique pour la mesure du

champ magnétique RF sub-pT par voie optique : application à l’IRM

endoluminale Isabelle Saniour

1, Reina Aydé

1, Anne-Laure Perrier

2, Gwenaël Gaborit

2, 3, Lionel Duvillaret

3, Jean Dahdah

3, Raphaël

Sablong1 et Olivier Beuf

1

1Université de Lyon, CREATIS, CNRS UMR 5220, Inserm U1044, INSA-Lyon, Université Lyon 1, Villeurbanne, France,

2Université de Savoie, IMEP-LAHC, UMR 5130, Le Bourget-du-Lac, France,

3KAPTEOS, Sainte-Hélène-du-Lac, France.

isabelle.saniour@creatis.insa-lyon.fr

Résumé

Un capteur endoluminal haute sensibilité à liaison

optique dédié à détecter le champ magnétique pour

l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est en

construction. Ce capteur permettra à la fois de

transmettre optiquement le signal radiofréquence (RF)

détecté et d’être découplé optiquement pour améliorer

l’uniformité du rapport signal sur bruit des images de

RM. Ces deux fonctions sont séparées dans ce papier. Un

guide d'onde Ti:LiNbO3 électro-optique (EO) est associé

à une boucle endoluminale RF pour convertir le signal

RF en un signal optique en se basant sur l'effet Pockels.

Ce signal est transmis optiquement par des fibres

optiques pour garantir la sécurité des patients. Les

expériences ont démontré que la gamme dynamique de la

puissance d’entrée dépasse les 100 dB et que le plus petit

champ magnétique détecté vaut 0,3 pT.

1. Introduction

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est

basée sur la mesure de la réponse à un champ

magnétique RF de différentes parties du corps humain.

En particulier, cette technique d’imagerie a été proposée

pour le diagnostic des maladies gastro-intestinales et

l’analyse des parois intestinales profondes grâce à

l’utilisation d’un capteur endoluminal situé à proximité

de la zone à examiner. Ce type de capteur permet d’avoir

un rapport signal sur bruit local élevé ce qui améliore

alors la résolution spatiale des images des parois

profonds de l’intestin [1]. La transmission du signal

RMN et du courant nécessaire au découplage actif du

capteur de réception est assuré par l’intermédiaire des

câbles coaxiaux métalliques qui, malheureusement,

causent l’échauffement des tissus ce qui limite

l’utilisation clinique de ce capteur. En effet, le champ

magnétique radiofréquence (RF) B1 est accompagné d’un

champ électrique qui induit des courants de haute

fréquence le long du fil métallique et augmente ainsi le

taux d’absorption spécifique (TAS) par les tissus se

trouvant à proximité [2]. Afin d’assurer la sécurité

complète du patient, la fibre optique paraît une solution

alternative prometteuse pour transférer optiquement le

signal RMN et le signal continu de découplage. Notons

que plusieurs groupes de chercheurs travaillent sur le

concept du découplage [5], [6]. Les deux signaux

électriques sont convertis en des signaux optiques: la

conversion du signal RMN est assurée par un guide

d’onde électro-optique (EO) dont les indices de

réfraction est en fonction du champ électrique appliqué

selon l’effet Pockels. La conversation du courant continu

de découplage est faite en utilisant un montage

optoélectronique. Il est effectivement indispensable de

découpler la boucle de réception lors de la phase

d’émission RF afin d’assurer la bonne uniformité du

rapport signal sur bruit dans les images de RM. La figure

3 illustre le circuit de découplage, les deux photodiodes

émettent un courant continu suffisant pour changer l’état

de la diode PIN [4]. Des mesures réalisées in vitro dans

un système RM ont permis de valider le système de

découplage optique. Dans la suite du papier, la

conversion EO du signal RF détecté par le capteur

endoluminal est présentée.

2. Méthodes

La conversion EO du signal RF est assurée par un

guide d’onde optique réalisé par diffusion titane sur un

substrat de niobate de lithium (Ti:LiNbO3) et ajouté à la

boucle réceptrice [3]. La figure 1 illustre l’expérience

Figure 1. Schéma en blocs de l’expérience de la

conversion EO. a) Génération du champ

magnétique RF. b) Détection du champ

magnétique par une boucle réceptrice et

conversion EO par un guide d’onde. c)

Traitement optique du signal. d)

Visualisation du spectre.

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de la conversion EO réalisée sur banc optique. Un

synthétiseur RF génère une puissance d’entrée Pin qui

varie entre -101 dBm et 14 dBm. Une boucle d’émission

non adaptée transforme ce signal en un champ

magnétique RF d’amplitude variable. Puis une boucle

réceptrice (Figure 3b) accordée et adaptée à 128,2 MHz

(fréquence de résonance du proton pour B0 = 3 T), placée

devant la boucle d’émission, capte le champ magnétique

RF. Une force électromotrice ε proportionnelle à

l’amplitude du champ magnétique est appliquée alors

entre les deux électrodes du guide d'onde EO. Ce dernier

est traversé par un laser (λ = 1550 nm) polarisé

linéairement. Les indices de réfraction du cristal formant

le guide d’onde varient linéairement en fonction de ε

(effet Pockels) ainsi que l’état de polarisation du faisceau

laser. Une photodiode rapide est utilisée afin d’obtenir un

signal électrique dont la puissance de sortie dépend de ε

et donc de l’amplitude du champ magnétique généré. La

puissance de sortie Pout est mesurée au moyen d’un

analyseur de spectre.

3. Résultats

La figure 2 présente la puissance de sortie mesurée en

fonction du champ magnétique délivré dans le but de

vérifier l’efficacité de la conversion EO en s’appuyant

sur les résultats obtenus par une boucle classique (sans

guide d’onde). Les résultats illustrés dans le graphique 2

vérifient la bonne linéarité de la conversion EO effectuée

par le guide d’onde. La dynamique dépasse les 100 dB et

le champ magnétique minimal détecté vaut 0.3 pT pour

Pin = -104 dBm (bruit électronique). De plus, la figure 2

montre que la sensibilité de la boucle associée au guide

d’onde est supérieure à celle d’une boucle seule.

4. Conclusion

La conversion EO du signal RF est faisable grâce à

un guide d’onde (Ti:LiNbO3) associé à une boucle

réceptrice endoluminale. Les résultats ont démontré une

excellente linéarité et sensibilité de ce capteur. La

transmission du signal optique est faite par

l’intermédiaire des fibres optiques. Le concept de

découplage optique ayant été démontré lors de travaux

antérieurs [4], un capteur endoluminal combinant la

conversion EO et le découplage optique est en

construction (Figure 3). Un tel capteur sensible aux

champs magnétiques faibles peut fournir des

informations très utiles sur les maladies intestinales sans

la crainte d’échauffement des tissus biologiques.

5. Remerciements

Nous remercions la région Rhône-Alpes (ADR ARC)

et la DGA (projet SNIFER et projet SOLSTICE) pour

leur soutien financier. Ce travail a été mené dans le cadre

du LabEX PRIMES de l'Université de Lyon, au sein du

programme «Investissements d'Avenir» (ANR-11-IDEX-

0007).

6. Bibliographie

[1] O. Beuf, et al., Journal of Magnetic Resonance

Imaging, vol. 20, p. 90-96, 2004.

[2] V. Detti, et al., Magnetic Resonance in Medicine, vol.

66, p. 448-455, 2011.

[3] R. Aydé, et al., IEEE Photonics Technology Letters ,

vol. 26, p. 1266- 1269, 2014.

[4] R. Aydé, et al., ISMRM-ESMRMB, Milan, Italy,

2014.

[5] O.G. Memis, et al., Magnetic Resonance in Medicine,

vol. 59, p. 165-173, 2008.

[6] M. Korn, et al., Magnetic Resonance in Medicine,

vol. 65, p. 882-888, 2011.

Figure 2. Puissance de sortie en fonction du champ

magnétique. Les points bleus et rouges

représentent respectivement les résultats

expérimentaux et théoriques. Les points

noirs présentent la réponse de la boucle

seule.

Figure 3. a) Schéma de principe de la mise en œuvre

du capteur à liaison optique combinant la

conversion optique et le découplage

optique. b) Boucle de réception

endoluminale. c) Circuit de découplage

actif optique.